人類雖然渺小，預防氣候災難卻可以從你我做起——《如何避免氣候災難》

本文轉載自中央研究院「研之有物」，為「中研院廣告」

• 採訪撰文｜簡克志
• 責任編輯｜簡克志
• 美術設計｜蔡宛潔

降低碳排還不夠，奈米材料幫你直接減少二氧化碳！

氣候變遷問題日益嚴重，2023 年 9 月成為全球有史以來最熱的月份，臺灣夏天飆破 38 ℃ 的頻率逐漸增加。為了避免地表升溫超過工業化前水準的 +1.5 ℃，世界各國訂出 2050 年淨零排放的目標，設法減少大氣中的溫室氣體。減碳解方除了低碳電力之外，直接減少二氧化碳也是一條路徑。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所陳貴賢特聘研究員，他的研究專長是奈米能源材料，我們將介紹一種複合光催化材料：硫化鋅（ZnS）／硫化銦鋅（ZnIn₂S₄，簡稱 ZIS），在太陽光照射下，此材料表面發生的氧化還原反應，會將二氧化碳還原成有用的工業化學原料！

地球「保冷」計畫——減碳是關鍵

我們每天排放多少二氧化碳？根據 Our World in Data 的人均二氧化碳排放數據，2021 年全球每人排放的二氧化碳為 4.69 噸，而燃燒 1 公升的汽油大概會產生 2.3 公斤的二氧化碳。換算一下，每人每天排放二氧化碳約為 12.8 公斤，相當於每人每天消耗 5.6 公升的汽油！

根據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的特別報告「全球暖化 1.5 ℃」，人類活動排放的溫室氣體，已經讓地球表面平均溫度上升了 1 ℃。若以人類目前經濟模式發展下去，碳排放量可預期將不斷上升，大量溫室氣體將讓暖化現象與極端天氣事件更加劇。

氣候科學家警示，地球表面平均溫度需控制在 +1.5 ℃ 以內 ^{註 1}，否則將有不可逆的後果，例如生物多樣性大幅度降低的風險。因此，世界各國有了 2050 年淨零排放的共同目標，並不是說都不排碳了，而是要設法讓溫室氣體的碳排放量和碳減少量相互抵消，達到「淨零」的目標。

要達到淨零的目標，除了尋找與開發減碳電力之外，直接減少二氧化碳也是一個方法。想像一下，如果可以像植物一樣，只要照太陽光，就把二氧化碳變成有價值的碳氫化合物，聽起來不錯吧？但是二氧化碳做為燃燒後的產物已相當穩定，要如何以人工方式讓二氧化碳再次參與反應？

我們可運用「陽光」與「光催化材料」（又稱光觸媒，photocatalyst），不僅可以減碳，還能產生有價值的碳氫化合物，是一種「一舉兩得」的方法！

光觸媒（光催化）材料是什麼？

在談到光催化材料之前，先複習一下「催化劑」這個概念，催化劑不參與化學反應，但是它讓原先不可能的化學反應變得可行！陳貴賢分享，這就像過去從臺北到宜蘭需要翻過雪山，經過九彎十八拐的北宜公路；但如今有了「雪山隧道」之後，就大大降低臺北到宜蘭的時間與難度。「雪山隧道」就是臺北通往宜蘭的催化劑。

除此之外，催化劑也可以說是推進人類歷史發展的重要角色！在過去，農作物施肥只有天然氮肥可以使用，產量有限。而肥料意味著糧食增加與生產力增加，《巫師與先知》這本書就提到位於秘魯的鳥糞島嶼成為各家跨國公司必爭之地。另一方面，波斯人也在各地建造供鳥類休息的高塔，用來收集當肥料用的鳥糞。

到了近代，陳貴賢提到在 20 世紀初，德國科學家哈伯（Fritz Haber）透過催化劑，在高溫高壓的條件下，以鐵粉做為催化劑，讓氮氣和氫氣轉換成氨。這讓人工固氮成為可能，人類不用再依賴緩慢的生物固氮反應就可以合成化學氮肥，農作物產量也大幅提昇。

本文主角「光催化材料」，顧名思義就是協助光化學反應的催化劑，但光催化材料與一般催化劑不同的地方在於，其化學反應通常發生在固態的表面環境，目標反應物、光子和電子都有參與反應。

比起光催化材料，你可能更常聽到它的同義詞「光觸媒」，例如某某產品宣稱具有「奈米光觸媒消毒」的功能，其實就是照射足夠的光，讓材料表面的氧化還原反應把細菌分解。而之所以光觸媒需要做到奈米尺寸，這是因為奈米小顆粒可以改變物質的電子能量結構，且大幅增加反應的表面積，讓光催化反應更有效率。

陳貴賢：「一個高表面積的奈米粉末，它的表面積可能是薄膜的一萬倍，甚至於十萬倍。」

給你電子，還你原形！光催化材料上的氧化還原反應是怎麼發生的？

光催化材料之所以能夠減少二氧化碳，是因為照光後材料表面發生「氧化還原反應」，氧化反應會失去電子，還原反應會得到電子。陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料：硫化鋅（ZnS）／硫化銦鋅（ZnIn₂S₄，簡稱 ZIS），可以讓二氧化碳還原成甲醇（CH₃OH）和乙醛（CH₃CHO），這兩種產物都是工業常用的化學原料。反應式如下：

要持續減少二氧化碳，就要持續發生上述還原反應，持續供給電子。不過，我們要怎麼讓電子快速又順利的補充到材料表面？這裡就開始涉及到半導體的核心問題：電子與電洞的產生、分離和傳輸。

陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料：ZnS／ZIS，是結合兩種奈米半導體材料，透過水熱法合成，將 0 維的 ZnS 奈米顆粒沉積在 2 維的 ZIS 奈米片之上，形成 0D-2D 結構的 ZnS／ZIS 複合物，就像製作巧克力豆餅乾，不過要複雜得多。

既然 ZnS／ZIS 是半導體，當受到光照之後，原來的價帶（valence band）電子會被光激發成導帶（conduction band）電子，原本價帶電子佔據的位置則留下一個空位，就是電洞。電子和電洞的遷移，就是半導體形成電流的原因，因此電子和電洞都稱為「載子」（charge carrier）。

還記得上面的還原反應嗎？

對光催化材料來說，為了在光照環境下把二氧化碳還原成乙醛和甲醇，必須獲得穩定的電子來源，材料內部要迅速補充電子到表面，因此：

照光產生的電荷載子數量越多越好；產生的電子和電洞要傾向分離，分得越遠越好；電子和電洞越快移動到表面參與反應越好。

載子輸送要快速穩定，首先照光產生的載子要多，就有更多電子和電洞參與反應。分離載子是為了避免復合，照光產生的電子和電洞很容易復合，一旦復合，等同於減少載子。再來是載子越快移動到表面越好，可以讓每次的氧化還原反應都是最佳效率。

尋找最有效的光催化材料

陳貴賢團隊總共做了 4 種不同比例的 ZnS／ZIS 光催化材料，依照 Zn:In 比例 1:0.12、1:0.26、1:0.46 和 1:0.99，分別標記為 ZnS/ZIS-1、ZnS/ZIS-2、ZnS/ZIS-3 和 ZnS/ZIS-4。其中，ZnS/ZIS-3 的光催化效果最好，可以有效減少二氧化碳，產生最多的乙醛和甲醇（如下圖）。

為了驗證光催化材料產生有效載子的效率，陳貴賢團隊計算了 ZnS/ZIS-3 的總 AEQ 值（apparent quantum efficiency），用來評估「照到光催化材料上的每顆光子數量，產生了多少實際參與催化反應的電子數」。測量之後，ZnS/ZIS-3 的 AEQ 值為 0.8%，量子效率比單獨的 ZnS 材料提高了將近 200 倍！

這也是為什麼陳貴賢團隊要使用兩種不同的材料結合，因為單一半導體材料照光產生的電子和電洞有很高的復合機率，選擇兩種不同的半導體材料組合，讓兩種材料形成特殊的「能量階梯」就可以有效分離電子和電洞，並且把電子送到它該去的材料表面。

此外，使用兩種半導體材料的好處還有「二次激發電子到更高能階」，以符合光催化反應的能量門檻，自由電子掙脫 ZnS 的束縛之後，繼續往 ZIS 跑，光的能量會繼續把電子往上送到更高能級的材料表面，還原二氧化碳的反應在此發生。

Z 字形跑比較快！控制材料之間的微應變提升氧化還原效率

關於光催化材料的二次激發，陳貴賢提到：「材料低能階，然後光子進來後，把電子激發到高能階去做反應，太陽能電池也是這樣。但是呢，有時候沒那麼剛好，例如激發後的能階不夠高，雖然激發上去了，但電子沒有辦法跟二氧化碳做反應。那我把兩個材料拼在一起，電子上去以後又下來，然後再吸收第二個光子上去，那就變得很高了，高了以後它的反應效率就提升很多。」

如果我們把光催化材料的二次激發過程畫成示意圖，如下圖所示，電子在 ZnS 束縛區受到第一次光子的激發，變成自由電子，接著經過設計完善的材料介面，先降到較低的 ZIS 束縛區，受到第二次光子的激發，再次變成自由電子，跑到光催化材料的表面，和二氧化碳發生還原反應，將二氧化碳變成可再利用的乙醛和甲醇。

看看電子走過的路，如果向左歪著頭看，是不是就是一個 Z 字呢？科學家把這個過程稱為「直接 Z 方案」（Direct Z-scheme）。「直接」的意思是，電子從 ZnS 跑到 ZIS 的過程，不需要再經過一個中間地帶，降低電子和電洞復合的機會。

為什麼陳貴賢團隊設計的「直接 Z 方案」光催化材料，電子可以不需要中間的「轉接站」，直接轉移到另一個材料上呢？這裡也有一個巧思：不同材料之間的「微應變」。

不同材料的晶體排列規律是不一樣的，當兩種材料接在一起時，接面處會發生「晶格不匹配」，也就是兩種材料的原子會互相卡到、晶格微微變形。但是，如果我們可以控制微應變（Strain）的程度，就可以控制兩種材料「能量階梯」的相對位置，微應變可以讓材料接面自動帶有「轉接站」的功能，進而形成一個內部電場，讓電子和電洞更能快速分離，提高光催化效率。

總之，陳貴賢團隊開發的這套材料組合，是有微應變誘導的直接 Z 方案光催化材料，可做為未來量產光催化材料的研發設計參考，同時也是減碳的解方之一。

綠能趨勢——光催化材料未來可期

陳貴賢表示，目前表面科學和材料是中研院原分所的主要研究領域，他的實驗室選擇能源材料作為研究主軸，有太陽能電池和熱電材料，同時團隊也專注研究可還原二氧化碳的光催化材料，以及與燃料電池相關的催化劑。

陳貴賢看好將來能源材料的發展，因為在 2050 淨零排放之前，有愈來愈多企業紛紛加入「RE100 倡議」的行列，企業必須承諾最晚於 2030 年前使用 100% 再生能源。最著名案例是科技巨頭蘋果、Google 和微軟等公司都已宣布其全球供應鏈將符合 RE100 的要求。其中，台積電為蘋果主要供應商，2020 年也加入 RE100，目前為臺灣再生能源的主要買家。

可以預見，將來風能、太陽能與燃料電池的相關材料有其市場需求，而能夠減少二氧化碳的光催化材料，也將成為全球減碳的利器。陳貴賢提到，當前光催化材料還在基礎研究階段，目前的人工光合作用效率約 1%，接近大自然效率，而團隊希望提升到至少 5% 到 10% 以上，方能有其實用價值。

陳貴賢進一步強調，未來效率提高之後，能夠轉化二氧化碳的光催化材料就會有很大的經濟價值，不僅轉化後的燃料可以賣錢，處置二氧化碳原料亦可以收取負碳費用，是一種前所未有的概念。

註解

1. 根據 IPCC 的資料，如果要將全球暖化幅度控制在 +1.5 °C 以內，必須在 2050 年左右達到二氧化碳的淨零排放目標，同時也要大幅度降低非二氧化碳的溫室氣體排放，特別是甲烷。

任何通盤的氣候計畫都必須借助許多不同領域的力量。氣候科學能說明我們需要處理這個問題的「原因」，卻告訴不了我們處理的「方法」。為此，我們需要結合生物學、化學、物理學、政治學、經濟學、工程學等領域。

創新不只是技術革新

就能源、軟體等領域來說，不能只是從嚴格的技術角度來思考創新。創新不僅僅是發明一台新機器或新製程，還包括對商業模式、供應鏈、市場和政策提出新穎觀點，以協助新發明問世、達到全球規模。

創新既代表全新的工具，也代表全新的做事方式。

考量到上述種種前提，我把計畫中的不同內容分為兩大類。其中一類是擴大創新的供給，實驗大量的新穎想法；另一類是加速對創新的需求。兩者攜手並進。如果沒有創新需求，發明家和決策者就不會有任何動力推出新想法；如果沒有穩定的創新供給，消費者就無法取得全球亟需的環保產品，來實現零排放。

擴大創新的供給

第一階段的工作是典型的研究與開發，即偉大的科學家和工程師發想出我們需要的技術。儘管今天有許多低成本的低碳解決方案，卻仍然沒有掌握實現全球零排放所需的一切技術。為了盡快備妥這些技術來發揮影響力，各國政府需要做到以下幾點：

未來10年內，對清潔能源與氣候相關的研發投入增加五倍

對研發的直接公共投資，是我們因應氣候變遷的重要方式，但政府在這方面的投入遠遠不足。

我們應該花多少錢呢？我認為美國國家衛生研究院（NIH）提供很棒的比較基準。NIH 每年預算約為 370億美元，成功研發許多救命藥物和治療方法，對美國人與世界各地的民眾來說不可或缺。

這正是絕佳的例子，也是我們因應氣候變遷所需決心的典範。雖然將研發預算變五倍聽起來是天文數字，但與當前挑戰的難度相比，顯得微不足道，而且強力反映了政府對此問題的重視程度。

加大投資高風險、高回報的研發計畫

這不僅僅攸關政府砸了多少經費，更攸關政府是否把經費花在刀口上。

各國政府曾因為投資清潔能源而引火上身。決策者不想讓人覺得自己在浪費納稅人的錢，這當然可以理解，但因為恐懼失敗，反而造成對於研發的投資短視近利，傾向找更為安全的投資目標，而且最好交由私部門出資。政府主導研發的真正價值在於，可以冒險嘗試那些可能失敗或不會立即獲益的大膽理念。

我們需要政府承諾資助能推動清潔能源科學發展的超大規模計畫（數億或數十億美元）。政府也得承諾長期資助這些計畫，這樣研究人員就會曉得來年都會固定得到補助。

研發呼應最大需求

實用價值尚不明顯的「藍天研究」（blue-sky research，又稱基礎研究）與科學發現的實際應用（即所謂的應用研究或轉譯研究）兩者有明顯區別。雖然是不同的概念，但如果凡事都要講究正統，認為基礎科學不應該被商業考量給汙染，毋寧大錯特錯。

那些優異的發明之所以問世，是因為科學家在研究之初就考慮到最終用途。我們需要更多的政府計畫，整合亟需突破領域中的基礎研究和應用研究。

一開始就與產業界合作

我還遇過另一項人為的區分，即初期的創新是為政府服務，而後期的創新是為產業服務。但在現實中不該如此區分，我們在能源領域面臨的艱難技術挑戰尤其不能如此簡化，因為想法成功與否最重要的衡量標準，就是能否遍及全國、甚至全球的規模。

初期的合夥關係會吸引懂得達標的內行人。政府和產業界需要共同努力，才能克服障礙、加快創新循環。企業可以幫忙製作新技術的原型，提供市場方面的洞見，並且共同投資計畫。當然，他們負責把技術商業化，所以理應要盡早讓他們參與。

——本文摘自《如何避免氣候災難：結合科技與商業的奇蹟，全面啟動淨零轉型新經濟》，2023 年 ３ 月，天下雜誌出版，未經同意請勿轉載。

有效運用當今的再生能源技術和改良輸電方式，無疑都是當務之急，也不要忘記，多數國家不像美國這麼幸運，有充足的太陽能和風力資源。美國可以寄望未來以再生能源獲取大部分電力，這不是一種普遍現象，而是例外。因此，在美國更有效運用太陽能和風力的同時，全球還是需要有清潔電力的新發明。

核能發電的優勢和疑慮

如果要簡短說明核能發電，那就是：這是唯一已證實可以不分晝夜、不分季節、不挑地點，穩定且大規模發電的零碳能源。

沒有任何其他清潔能源能做到目前核能發電給我們的這些好處，而且是還差得很遠。在利用水泥、鋼鐵和玻璃等材料的效益方面，核能發電廠也是第一名。下圖表呈現出不同發電方式下，每單位發電量需要消耗多少材料。

核電有很多問題已經不是什麼祕密，興建核電廠的成本目前已變得很高。人為疏失會導致意外事故，核電廠使用的燃料——鈾，有可能被用來製造核武，存放有危險性的核廢料也是棘手的問題。發生在美國三哩島、前蘇聯車諾比，以及日本福島的核電廠事故備受矚目，使這些風險成為焦點。造成這類核災的問題確實存在，但我們面對的方式應該是著手解決問題，而非直接停止發展這個領域。

核能發電造成的人命傷亡遠遠少於汽車，事實上，也遠遠少於任何一種化石燃料（見下圖表）。

新的技術 打造更安全的核能設施

儘管如此，核能發電技術還是應該要改良。把造成事故的問題逐一分析清楚，再設法以創新來解決。我對泰拉能源（TerraPower）設計的方案十分樂觀，泰拉能源的反應爐可以使用多種不同的燃料，包括其他核電廠的核廢料。這種反應爐產生的廢料也比現有核電廠少得多，同時採取全面自動化，排除人為疏失的可能性，又可以建造在地底，避免遭到攻擊。最後一點，反應爐運用巧妙的設計來控制核反應，本身就很安全。運用物理定律，事故基本上不會再發生。

泰拉能源要落實到興建新的核電廠，恐怕還要等很多年，到目前為止，我們設計的反應爐都只存在於超級電腦中。另一方面，我們正與美國政府積極合作，共同打造一座新一代核電廠的原型。

——本文摘自《如何避免氣候災難：結合科技與商業的奇蹟，全面啟動淨零轉型新經濟》，2023 年 ３ 月，天下雜誌出版，未經同意請勿轉載。